賈倍倍,陳曉芳,2,袁自然,2,王家嘉,2,胡芹遠,曹阿祥,葉 寅,2*

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所,安徽 合肥 230031;2.養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230031;3.安徽省土壤肥料總站,安徽 合肥 230001)

水稻和小麥?zhǔn)俏覈饕霓r(nóng)作物。隨著人口不斷增加的壓力，提高其產(chǎn)量成為不可忽視的任務(wù)。N、P、K作為水稻和小麥發(fā)育所必不可少的元素，在施肥過程中尤為重要。然而，作物生產(chǎn)過程中，人們?nèi)菀紫萑搿笆┓试礁?，產(chǎn)量越好”的誤區(qū)，進而導(dǎo)致過量施肥現(xiàn)在普遍存在，向農(nóng)田中投入過多肥料在造成肥料浪費的同時，土壤會出現(xiàn)酸化，地下水也會被污染[1]。目前，相較于世界的水稻氮肥平均施用量，我國的水稻氮肥平均施用量高出75%，為180 kg/hm2，但是，從氮肥農(nóng)學(xué)利用率來看，我國的利用率不到發(fā)達國家的一半[2]。磷肥施用過多會使土壤中的鋅與過量的磷作用，產(chǎn)生作物無法吸收的磷酸鋅沉淀，進而作物出現(xiàn)明顯缺鋅現(xiàn)象。研究表明，因我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中投入的磷肥的利用率不高，通常只有5%～20%，導(dǎo)致大量磷素在土壤中積累，并通過地表徑流和灌溉流失，造成面源污染[3]。過多鉀肥使用則會造成明顯的環(huán)境污染，削弱莊稼的生產(chǎn)能力。資料顯示，土壤中能被植物直接吸收的速效鉀含量一般不到土壤全鉀含量的2%，針對土壤鉀素虧缺，最直接有效的方法就是施用鉀肥，但我國鉀肥大部分依靠進口，成本較高[4]。在考慮農(nóng)民種植的投入和作物的產(chǎn)出與效益后，制定合理的施肥方案，在減少化肥費用的同時最大限度地提高作物產(chǎn)量，增加經(jīng)濟效益，成為當(dāng)下農(nóng)業(yè)研究方向。

化肥給我國的糧食安全提供保障，但不能忽略的是環(huán)境卻因化肥承受著越來越大的壓力[5]，常見的有霧霾、水體富營養(yǎng)化、溫室效應(yīng)等[6]。因此，合理利用肥料資源，提高肥料利用率是平衡食物安全和環(huán)境保護的重大科技問題[7]。近些年，國家一直提倡走可持續(xù)發(fā)展道路，保護環(huán)境是直接有效的方式之一，金山銀山，不如青山綠水。所以，建立科學(xué)的小麥水稻施肥技術(shù)體系，實現(xiàn)農(nóng)田高產(chǎn)、高效和可持續(xù)發(fā)展成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究熱點[8]。

華東地區(qū)雨熱比較豐富，但容易出現(xiàn)雨熱同期，在冬季雨水相對較少，對作物生長不利，此時則需要人工灌溉來滿足作物生長的基本需水量。水肥一體化技術(shù)是指借助壓力灌溉系統(tǒng)，將可溶性固體肥料或液體肥料配成肥液與灌溉水一起，均勻、準(zhǔn)確地輸送到作物根部土壤的技術(shù)[9]。在前人的一些研究中，通過水肥一體化技術(shù)可以提高油菜產(chǎn)量和促進養(yǎng)分吸收，而且能減少油菜硝酸鹽含量和土壤中硝態(tài)氮累積[10]；也可以顯著改善玉米生育中后期的磷素營養(yǎng)并提高產(chǎn)量，提高石灰性土壤玉米對磷肥的吸收利用效率[11]；水肥一體化還可以顯著提高生姜葉片色素含量和凈光合速率，降低蒸騰速率，提高水分利用效率[12]。因此，本研究通過田間小區(qū)試驗，探究在水肥一體化下對作物進行化肥減量實驗，從而確定最適合作物生長的肥料配方，將保護環(huán)境和提高作物經(jīng)濟效益的目的同時達到。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年11月至2018年11月在安徽省蕪湖市蕪湖縣陶辛鎮(zhèn)三太村(31°14′ N,118°52′ E)實施小麥-水稻輪作模式。小麥品種為“寧麥13”，水稻品種為“Y兩優(yōu)17”。每個小區(qū)面積24 m2(6 m×4 m)，小區(qū)間設(shè)置50 cm保護行,試驗小區(qū)單灌單排。

2017年試驗開始前采集耕層(0～20 cm)土壤樣品，其基本理化性狀：全氮1.23 g/kg，pH值4.7、有機質(zhì)36.2 g/kg、速效鉀96 mg/kg、緩效鉀278 mg/kg、有效磷12.4 mg/kg、堿解氮81 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

(1)小麥季：

處理A：不施肥料。

處理B：基肥+常規(guī)追肥?；剩?5-15-15復(fù)合肥750 kg/hm2。追肥：拔節(jié)期46.4%尿素145.5 kg/hm2。

處理C：基肥：尿素361.5 kg/hm2、過磷酸鈣750 kg/hm2、氯化鉀124.5 kg/hm2；追肥：拔節(jié)期46.4%尿素145.5 kg/hm2。

處理D：基肥：按照46.4%尿素181.5 kg/hm2、12%過磷酸鈣500 kg/hm2、60%氯化鉀72 kg/hm2；追肥：越冬期3.75 kg/hm2基酸水溶肥或黃腐酸水溶肥，返青期3.75 kg/hm2大量元素水溶肥，拔節(jié)期3.75 kg/hm2高氮大量元素水溶肥，孕穗期3.75 kg/hm2氨基酸水溶肥或大量元素水溶肥，灌漿期1.5～2.25 kg/hm2磷酸二氫鉀。

處理E和處理F施肥基肥總量分別為處理C的70%和50%，追肥方式及用量同處理D。

處理G、H、I的施肥方式為碳基復(fù)混肥+水溶肥追肥，施肥基肥總量分別為處理C的80%、70%、50%，追肥方式及用量同處理D。

(2)水稻季：

處理A：不施肥料。

處理B：基肥+常規(guī)追肥?；剩?5-15-15復(fù)合肥750 kg/hm2。追肥：拔節(jié)期1次，追施46.4%尿素114 kg/hm2。

處理C：基肥施用當(dāng)?shù)貙Ｓ门浞椒剩贩柿颗c追肥方式按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣；基肥：按46.4%尿素227 kg/hm2、12%過磷酸鈣626 kg/hm2、60%氯化鉀90 kg/hm2。追肥：在越冬期和拔節(jié)期分2次施肥，施肥方式為撒施，每次施肥量為46.4%尿素114 kg/hm2、60%氯化鉀30 kg/hm2。

處理D：基肥：按照當(dāng)?shù)貙Ｓ门浞椒适┯昧康?0%。追肥：返青期3.75 kg/hm2氨基酸水溶肥或黃腐酸水溶肥，分蘗期3.75 kg/hm2大量元素水溶肥，拔節(jié)期3.75 kg/hm2高鉀大量元素水溶肥或磷酸二氫鉀，孕穗期3.75 kg/hm2氨基酸水溶肥或大量元素水溶肥，抽穗期1.50～2.25 kg/hm2磷酸二氫鉀，開花期3 kg/hm2大量元素水溶肥；

處理E和處理F的施肥方式都為配方施肥+水溶肥追肥，施肥基肥總量分別為處理C的70%、50%，追肥同處理D。

處理G、H、I的施肥方式為碳基復(fù)混肥(有機無機復(fù)混肥)+水溶肥追肥，施肥基肥總量分別為處理C的80%、70%、50%，追肥同處理D。

1.3 測試項目與方法

1.3.1 千粒重和產(chǎn)量 在小麥水稻成熟期分區(qū)隨機選取部分樣品，在實驗室烘干至恒重稱量其不同處理的千粒重。在成熟期收獲全部作物，自然風(fēng)干后測量其產(chǎn)量。

1.3.2 植株樣品測定 樣品預(yù)處理：先用濃硫酸消煮植物樣品，然后加入H2O2加速氧化過程，使得有機氮轉(zhuǎn)化為NH4+-N，各種形態(tài)的磷、鉀也釋放出來，制得的待測液，可供N、P、K等元素的測定。全氮采用開氏法，全磷用鉬銻抗比色法,全鉀用火焰光度計法測定。

1.3.3 產(chǎn)投比 產(chǎn)投比=收入/肥料成本。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019和SPSS 20.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，并用Duncan氏法在0.05顯著水平上進行樣本平均數(shù)的差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥一體化下化肥減量對作物產(chǎn)量的影響

小麥產(chǎn)量隨化肥減量變化見圖1。處理A的產(chǎn)量與其他處理之間的產(chǎn)量存在顯著差別，產(chǎn)量明顯低于其他處理。處理B、C、D、E、F、G、H、I的產(chǎn)量較A分別提高了341.4%、348.1%、286.3%、231.8%、227.8%、351%、307.5%、230.6%。處理B的產(chǎn)量顯著高于處理A，B與C、G的產(chǎn)量無明顯差異，與E、F、H、I的產(chǎn)量差異顯著。處理D較C的產(chǎn)量顯著下降，E與D的產(chǎn)量相比也顯著下降，但F的產(chǎn)量較E無顯著變化。處理G、H、I的產(chǎn)量逐漸遞減。結(jié)果表明：施用有機無機肥減量20%處理的產(chǎn)量最高，配方施肥減量處理的產(chǎn)量降低，但減量70%與50%差異不明顯。有機無機肥減量70%和50%的產(chǎn)量明顯降低。

圖1 不同處理間的小麥產(chǎn)量

水稻產(chǎn)量隨化肥減量變化見圖2。處理A的產(chǎn)量顯著低于其他處理。處理B、C、D、E的產(chǎn)量無顯著差異。相較于C處理,處理D、E、F的產(chǎn)量分別降低0.7%、3.5%、10%，處理E和F差異顯著。處理G、H、I的產(chǎn)量逐漸降低，但處理H和I之間的產(chǎn)量降低不明顯。相較于處理G,處理H和I的產(chǎn)量分別降低10.8%、12.6%。結(jié)果表明，施用有機無機肥減量20%(處理G)的產(chǎn)量最高，配方施肥減量處理的產(chǎn)量也降低，但降低80%和70%處理的產(chǎn)量差異不顯著。產(chǎn)量與有機無機肥施入量的處理呈正相關(guān)。

圖2 不同處理間的水稻產(chǎn)量

2.2 水肥一體化下化肥減量對作物籽粒千粒重的影響

小麥千粒重隨化肥減量變化見圖3。處理A的千粒重最低，處理A、B、C之間的千粒重差異顯著。化肥減量后，處理D、E、F的千粒重與處理C相比，分別降低4.4%、11.0%、12.2%。處理G、H、I之間的千粒重差異不顯著，但隨有機無機肥使用量減少，其千粒重也逐漸降低。由此可知，小麥千粒重與施肥量大體呈正相關(guān)。

圖3 不同處理間的小麥千粒重

水稻千粒重隨化肥減量變化見圖4。處理A、D、E、F、G、H、I之間千粒重差異不顯著，但它們與處理C、B之間差異顯著，處理B、C之間的千粒重差異不顯著。由此可知，減少化肥用量在一定程度上反而提高了水稻千粒重。

圖4 不同處理間的水稻千粒重

2.3 水肥一體化下化肥減量對植株體內(nèi)氮磷鉀含量的影響

小麥水稻氮磷鉀含量見表1、表2所示。小麥秸稈和籽粒全氮含量在不同處理間具有顯著差異。小麥秸稈全氮含量中處理B與其他處理全氮含量均具有顯著差異性，含氮量均顯著高于其他處理。處理C與處理A之間全氮含量接近，不具有明顯差異性，但其他處理的全氮含量顯著低于處理C。處理A、D、E、F、G、H、I之間的全氮含量無顯著差異。小麥籽粒的全氮含量中，處理B和C的全氮含量顯著高于其他處理，處理A、D、E、F、G、H、I之間的全氮量接近。水稻秸稈和籽粒的全氮含量也存在顯著性差異。水稻秸稈的全氮含量中，C與B的全氮含量顯著高于其他處理。處理B與D、E、F、G差異性不顯著，A、I、H之間的含氮量接近。水稻籽粒的全氮含量趨勢與水稻秸稈的全氮含量類似，B、C的全氮量最高，且與其他處理有顯著性差異，處理A的含氮量最低。

表1 小麥植株N、P、K含量 %

表2 水稻植株N、P、K含量 %

小麥和水稻秸稈全磷和籽粒全磷檢測中，含量均無明顯差異，結(jié)果表明：水肥一體化下化肥減量處理對作物體內(nèi)全磷含量幾乎沒有影響。

不同處理之間水稻秸稈和籽粒，以及小麥籽粒中全鉀含量無顯著性差異，但小麥秸稈的全鉀在不同處理之間有顯著差異性，處理B、C的全鉀含量顯著高于其他處理，處理A、D、E、F、G、H、I之間的全鉀含量無顯著性差異。

2.4 水肥一體化下化肥減量經(jīng)濟效益分析

按照尿素2500元/t，45復(fù)合肥4000元/t，過磷酸鈣2100元/t，氯化鉀3600元/t，水稻配方肥(18-12-15)3500元/t，有機無機肥2300元/t，磷酸二氫鉀22.5元/kg，大量元素水溶肥13元/kg，氨基酸水溶肥7.5元/kg。稻谷按市場價1.55元/kg，小麥按市場價1.2元/kg。

小麥經(jīng)濟效益如表3所示，處理A的小麥總收入最低，顯著低于其他處理。G的總收入最高，與處理B、C無顯著差異，但與其他處理存在顯著差異，處理D、E、F的總收入因化肥減量而存在下降的趨勢，同時，處理G、H、I之間的總收入也同樣明顯下降。在減去化肥投入，分析處理之間效益變化趨勢，處理A的效益顯著低于其他處理，處理G的效益最高與其他處理存在顯著差異。相較于處理C,化肥減量80%的處理D和處理G，效益反而增加。常規(guī)施肥(處理B)和配方施肥(處理C)產(chǎn)投比最低，處理F產(chǎn)投比最高。處理D、E、F之間的效益雖然隨化肥用量降低而降低，但產(chǎn)投比反而增加，處理G、H、I也有同樣變化趨勢。由此可見，適量減少化肥投入資金反而會獲得更大的效益。

表3 化肥減量條件下小麥經(jīng)濟效益分析

水稻經(jīng)濟效益如表4所示，處理A的總收入顯著低于其他處理。處理G總收入最高，與處理B、C、D不存在顯著性差異，總體來說化肥減量處理D、E、F之間總收入降低，處理G、H、I也表現(xiàn)降低趨勢。處理B的總收入最高，處理B、C、D、E、G之間無顯著性差異，表明在配方施肥中化肥減量沒有對經(jīng)濟效益造成顯著影響。配方施肥減量(處理D、E、F)和有機無機肥減量(處理G、H、I)之間的效益隨化肥用量的減少而大體呈現(xiàn)減少趨勢，而產(chǎn)投比卻趨勢相反，在處理D、E、F中產(chǎn)投比與化肥用量呈負相關(guān)，處理G、H、I結(jié)果類似，其中處理F的產(chǎn)投比最高。

表4 化肥減量條件下水稻經(jīng)濟效益分析

3 結(jié)論與討論

3.1 水肥一體化下化肥減量對作物產(chǎn)量和籽粒千粒重的影響

作物干物質(zhì)積累是在養(yǎng)分吸收的基礎(chǔ)上完成的，只有干物質(zhì)和養(yǎng)分積累，作物器官才能分化，形成產(chǎn)量[13]。所以當(dāng)土壤中養(yǎng)分不足以支撐作物生長時，必須依靠外力即人工施肥來保證作物正常生長發(fā)育，但是并非施肥越多，植物生長越好。雷鈞杰等[14]試驗表明，增施氮肥可以提高小麥體內(nèi)干物質(zhì)積累，增加產(chǎn)量，但是當(dāng)施氮量過量時，產(chǎn)量反而會降低。郭麗等[1]的試驗結(jié)論也驗證了這一結(jié)論。對于小麥籽粒而言，適量施氮可以促進花后非結(jié)構(gòu)性碳水化合物積累，為籽粒形成提供幫助，但過量施氮則效果相反[15]。關(guān)于化肥減量施用后對作物的影響研究報道較多，但更多的是在化肥減量的同時，再配施有機肥或生物肥的基礎(chǔ)上研究其對作物的影響[16-20]。而本研究只研究化肥減量對作物的影響，結(jié)果表明，在增加施肥量時，小麥和水稻的產(chǎn)量都有明顯提高，當(dāng)化肥減量施用時，產(chǎn)量則呈下降趨勢。但化肥減量20%，比不減量處理的產(chǎn)量略微增加。雖然在趙亞南等[21]研究中發(fā)現(xiàn)減量施肥沒有對小麥產(chǎn)量造成顯著影響，但顯著提高了理論最大千粒重。這與本研究的結(jié)論略有出入，原因可能在于輪作作物不同，同時本研究是在水肥一體化條件下進行，這可能會對試驗結(jié)果造成不同。

3.2 水肥一體化下化肥減量對植株體內(nèi)氮磷鉀含量的影響

郝科星等[22]在研究玉米和谷子輪作，氮磷鉀使用對谷子產(chǎn)量品質(zhì)的影響時表明氮肥是提高作物產(chǎn)量的決定性因素，磷肥和鉀肥影響效果不如氮肥。小麥和水稻在氮素減量后，不可食部分氮磷鉀的吸收量、可食部分氮的吸收量以及全株氮和鉀的吸收量減小，增加了氮肥農(nóng)學(xué)利用率和磷肥利用率[23-24]。本研究數(shù)據(jù)顯示，在減量施肥條件下，作物體內(nèi)磷鉀含量無明顯變化趨勢，小麥水稻籽粒在化肥減量后，體內(nèi)全氮含量不同程度的減少。

3.3 水肥一體化下化肥減量的經(jīng)濟效益分析

在玉米的種植中，滴灌化肥在減量40%基礎(chǔ)上再添加適量有機肥，可提高玉米產(chǎn)量，提高凈收益，且增大產(chǎn)投比[25]。在本研究中，對于小麥的D與G處理，雖然同樣是化肥減量20%，但G處理施用葉面肥顯著提高了小麥的總收入，增加小麥的效益，但因葉面肥價格比普通肥料價格稍高，故G處理的產(chǎn)投比較D處理低。但水肥一體化具有水肥利用效率高、農(nóng)田和地下水污染少、節(jié)省勞力等優(yōu)勢，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)階段[26]。故對于小麥，在不影響效益的前提下，采用水肥一體化的同時將化肥減量20%對于小麥種植最有利。對水稻而言，采用水肥一體化并不能顯著提高其收入和效益，反而會降低產(chǎn)投比，但E處理在化肥減量30%時，產(chǎn)量并沒有降低，顯著增加了產(chǎn)投比。